터빈에 달려있는 회전자의 블레이드는 바람이 갖는 에너지를 기계적 인 회전 토오크로 변환 시킨다. 시뮬레이션을 위해서는 바람에 따른
토오크 발생기가 필요하다.
Fig. 32는 Fig. 11과 식 (11)에 의해서 얻어진 모델 시스템의 풍속에 대한 터빈에서 발생하는 출력토크를 나타내고 있다. Fig. 32를 이용하여 4∼25 [m/s] 사이를 0.1[m/s] 단위로 하여 출력토크 데이터를 만들어 Look-up table 화하고 풍속에 따른 토크를 발생하도록 프로그램을 구현한다.
Fig. 32 Output torque versus wind speed of model system
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
4 5 7 8 9 11 12 13 14 16 17 18 20 21 22 24 25
Wind Speed [m/s]
Torque [N·m]
Fig. 33은 Psim 프로그램에서 사용된 출력토크 발생 시뮬레이터를 나타내고 있다. 이 프로그램에서 입력 데이터에 대한 기계적 토크를 발생시키는 라이브러리가 있어 이를 이용하여 쉽게 구현이 가능하게 된다. 이러한 토오크 발생 시뮬레이터를 가지고 풍속의 변화에 대한 출력을 모델 시스템의 회전자에 외부저항을 채용하여 풍속에 따라 슬 립전력을 제어하는 경우와 이 시스템의 회전자에 이중 컨버터를 채용 한 경우에 대하여 Psim 프로그램으로 각각 시뮬레이션을 수행한다.
Fig. 33 Torque simulator
Fig. 34는 시뮬레이션 수행을 위해 모델로 사용된 제주 행원 풍력발 전 단지의 V47 시스템의 구성도이다. 모델시스템은 크게 풍차 터빈부, 발전기 부, 제어 시스템부로 구성된다. 풍차의 터빈부에서는 블레이드 와 기어시스템으로 구성되는데 여기서 블레이드의 피치제어는 Fig. 10 과 식 (11)에 의해 정격풍속 이하에서는 -1.4[°]를 유지하도록 하고 정 격풍속 이상에서는 1872[rpm] 을 유지하도록 하였다. 즉, 식 (9)에 의 해 주속비 λ 와 피치제어각 θ 에 따라 출력계수 C p가 발생하도록 C++프로그램으로 Psim 프로그램에서 동작하는 사용자 라이브러리를 만들어 적용 하였다. 풍속에 따른 발생 토오크는 식 (11)과 Fig. 11를 이용하여 시동 풍속인 4[m/s]에서 종단 풍속인 25[m/s]까지 발생하도 록 하였다.
발전기부에서 고정자는 계통에 연계시키고, 회전자에는 슬립링을 통 하여 외부에 슬립이 4[%]인 경우 즉, 1872[rpm]에서 정격출력이 발생 하도록 하고, 최대 허용 슬립이 10[%]인 0.059[Ω]의 저항을 회전자 측 에 연결하여 제어한다. 이렇게 연결된 저항을 이용하여 슬립전력을 조 절함으로써 출력이 일정하게 나오도록 제어한다.
제어시스템부에서는 DSP부, 소프트 스타팅부, 주 접점 MCB부, 진상 용 캐패시터부로 구성된다. DSP부에서는 전체제어 시스템을 제어하기 위해 각 시스템에 알맞은 제어 신호를 입출력하여 전체 시스템이 원하 는 대로 동작하도록 한다.
우선 풍속이 시동풍속 이상으로 분다고 가정하여 터빈속도를 1800[rpm] 까지 가속시키고 스프트 스타팅과 그렇지 않았을 경우에 대
Fig. 34 Schematic diagram of model system with external resistor
하여 출력 특성들을 나타낸다. 또한 풍속이 4∼25[m/s]까지 변한다고 했을 때의 출력 특성들을 Fig. 35에서 Fig. 42까지 나타내었다.
Fig. 35는 풍속이 5[m/s]에서 계통 연계를 하기위해 SCR을 이용한 소프트 스타팅을 하였을 때의 발전기와 계통의 역률과 a상의 전류파형 을 나타내고 있다. 이 결과에서 보면 a상전류의 최대가 300[A] 이하에 서 억제되고 있으며 진상용 캐패시터 동작에 따라 발전기 출력단의 역 률이 변하고 있음을 알 수 있다.
그리고, Fig. 36은 소프트스타팅 시 모델시스템의 실제파형이다. 이 파형을 보면 계통 투입 시 상전류의 최대치가 300[A]를 넘지 않고 있 어 실제 시스템에서도 기동전류를 효과적으로 잘 제한하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 35 Simulation results of power factor and current waveform with soft starting
Fig. 36 Actual current waveform of model system with soft starting
Fig. 37은 풍속이 4∼25[m/s]까지 변한다고 가정 하였을 때의 회전 자 속도, 피치각, 주속비, 출력계수 값을 나타내고 있다. 회전자의 속도 는 1800[rpm]에서 약 1872[rpm]까지 변하고 있고 피치각은 -1.4[°]에서 약 27[°]까지 변하고 있음을 알 수 있다. 주속비는 4∼13까지 변하고 있고 출력계수는 0.05∼0.45까지 변함을 알 수 있다.
Fig. 38은 Fig. 37에서 나타난 풍속을 가지고 똑 같은 조건하에서 운 전했을 때의 계통과 발전기에 나타나는 역률과 유․무효 전력 그리고 계통에 나타나는 전류 실효치를 나타내고 있다. 이 시스템은 발전기에 필요로 하는 무효전력을 발전기와 병렬로 진상용 캐패시터를 175 [kvar]와 225[kvar]를 사용하여 보상하고 있다. 보상결과 계통에 나타 나는 무효전력은 약 170[kvar]이고, 출력되는 유효전력은 0∼660[kW]
까지 나타나고 있다. 그래서 역률은 풍속이 약 7[m/s]이하에서는 나쁘 지만 그 이상에서는 약 0.9 이상으로 되고 있음을 알 수 있다.
또한 발전되는 전류의 실효값은 0∼562[A]정도로 나타나고 있다. 이 값은 모델 발전기가 225[kvar] 무효 전력 보상시 정격 전류값 560[A]
에 거의 유사함을 알 수 있다. Fig. 39는 정격 출력시 상전압과 상전류 의 동작 특성을 확인하기 위해서 Fig. 38을 4.8∼5.0[sec]까지 부분을 나타낸 것이다. 이 부분에서의 역률은 0.98로 거의 전압과 전류의 위상 차는 180[°]에 가깝게 나타나고 있다. 결국 캐패시터에 의한 무효전력 보상은 정격출력에서는 잘되지만 저 풍속 영역에서 문제가 있음을 내 포하고 있다.
Fig. 37 Simulation results of rpm, P_angle, lambda and Cp
Fig. 38 Simulation results of wind, PF, kW, var and Ia_rms
Fig. 39 Simulation results of wind, Vas and Ias from 4.8 to 5.0[sec]
Fig. 40은 100[sec]동안 식 (3)을 이용하여 얻은 바람 모델를 가지고 시뮬레이션 결과이다. 이 결과에서 보면 바람의 변동에 따라 피치각이 변하고 이에 따라 출력도 변하고 있음을 알 수 있다. 또한 정격 풍속 이하에서는 피치각이 -1.4[°]로 고정되어 운전되고 그 이상에서는 정격 출력을 유지하기 위해서 바람이 강해질수록 피치각이 더 커짐을 알 수 있다. 블레이드는 큰 관성을 지니는 즉 시정수가 큰 적분기로 볼 수 가 있다. 그래서 바람의 빠른 변화에 대해 출력이 어느 정도의 시간차 를 가지고 변하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 40 Simulation results of wind, rpm, P_angle, lambda and Cp
Fig. 41은 Fig. 40과 똑 같은 운전 조건하에서의 결과들이다. 역률은
13[m/s]이상에서는 거의 1에 가깝고 무효전력과 유효전력 그리고 출력 전류의 실효치도 정격에 거의 비슷하게 나타나고 있다.
Fig. 41 Simulation results of wind, PF, kW, var and Ia_rms
Fig. 42는 제주 행원 풍력발전 단지에 설치되어 운용되고 있는 모델 시스템에서, 2002년 9월부터 2003년 8월 까지 1 년간 측정한 실측 데 이타를 가지고 풍속에 대한 출력 곡선과 본 논문에서 얻어진 시뮬레이 션 결과 값을 나타낸 것이다. 이 결과에서 보면 정격이상에서는 거의 일치하고 있지만 정격풍속 이하에서는 약간의 오차가 존재하고 있다.
한 예로 풍속이 10[m/s]인 지점에서 실측값은 375.8[kW] 이지만 시뮬 레이션 값은 362.9[kW]를 나타내고 있다. 이것은 실측값과 약 3.4[%]
의 오차를 나타내고 있는 것으로, 모델 시스템을 모델링하는데 있어서 모든 변수를 완벽하게 고려하지 못한 결과에서 기인된 것으로 볼 수 있다.
Fig. 42 Actual and simulation results of model system versus wind speed